Солнечные коллекторы для отопления помещений

В Европейских странах солнечные коллекторы для отопления используют в 50% от общего количества установленных гелиосистем. Однако следует понимать, что гелиосистемы используют лишь для поддержки отопления и экономии основного энергоресурса, поскольку потребность в тепле значительно превышает выработку энергии солнечными коллекторами в отопительный период в нашей климатической зоне.

Основные предпосылки к использованию гелиосистем для отопления помещений:

• Развитие технологий энергоэффективного строительства. Благодаря этому снижается тепловая нагрузка здания и вклад солнечной энергии становиться ощутимей.
• Постоянно растущие тарифы на ископаемые энергоносители.
• Всё большая доступность и популярность солнечных систем. Технология удешевляется поэтому по сравнению с предыдущими годами установка гелиосистем для отопления становится рентабельней.
• Экологическая ответственность. Общемировой тренд сокращения вредных выбросов и устойчивого развития подкреплённый мировыми стратегиями.
• Появление новых технологий. Производители предлагают решения благодаря которым можно оптимизировать первоначальные затраты и увеличить срок службы солнечного коллектора и других компонентов системы солнечного теплоснабжения.

Наиболее распространенным является использование гелиосистем с суточной аккумулированием тепловой энергии. Недостатком гелиосистем для поддержки отопления с суточным аккумулированием являются невозможность использовать излишки тепла в летнее время. Выходом из данной ситуации может быть использование сезонного аккумулирования. Однако такую установку достаточно сложно реализовать на практике из-за необходимости обустройства огромных накопительных емкостей (объемом от 10 м³). Такие емкости закапывают под землю или строят специальный резервуар из бетона. Поэтому в подавляющем большинстве, в Европе солнечные коллекторы для отопления устанавливаются именно в гелиосистемах суточным аккумулированием.

Солнечные коллекторы для отопления — варианты реализации

Гелиосистема для отопления дома состоит из солнечных коллекторов, труб гелиоконтура и  бака аккумулятора. Такие ёмкости могут быть комбинированными с отдельным встроенным внутренним баком для ГВС или отдельными. Так же широко распространены баки с внешней теплообменной станцией для нагрева горячей воды проточным способом.

Распространённые варианты схем гелиосистем для отопления: 1. Гелиосистема с комбинированной ёмкостью «бак в баке». 2. Гелиосистема с отдельным баком для ГВС и буферной ёмкостью для отопления. 3. Гелиосистема с буферным баком и станцией приготовления горячей воды

Объем таких баков аккумуляторов рассчитывается исходя из количества солнечных коллекторов, и ни в коем случае не определяется от объема теплоносителя в отопительной системе. В среднем оптимальное значение равно 75 л на один метр квадратный площади абсорбера солнечных коллекторов.

Следует так же отметить, что для максимального эффекта применения солнечные коллекторы для отопления, необходимо использовать низкотемпературные отопительные приборы такие как тёплый пол и т.д. Чем ниже рабочая температура гелиосистемы, тем выше её КПД.

Зависимость КПД солнечных коллекторов от типа системы отопления

Оптимальный рабочий диапазон для системы теплоснабжения 35–27 °C, что соответствует температурному графику теплых полов.

Пример: солнечные коллекторы для отопления дома 180 м² в г. Киев

Рассмотрим пример, когда солнечные коллекторы для отопления устанавливаются в доме с площадью 180-200 м². Контур распределения энергии — теплые полы.

Количество затраченного тепла сильно зависит от качества утепления дома. К примеру для энергопассивного дома необходимо не более 30 кВт*ч тепловой энергии на один метр квадратный площади за отопительный сезон. А для слабо утепленного дома может понадобиться более 200 кВт*ч тепла на один метр квадратный площади дома за сезон.

Типичные удельные теплопотери за отопительный сезон жилого дома в зависимости от утепления

Предположим, что дом построен по современным технологиям и отвечает требованиям по энергосбережению с тепловой мощностью приммерно 50 Вт/м² отопительной площади. Максимальная тепловая нагрузка — 10 кВт. Средние затраты энергии на теплоснабжение за сезон около 80 кВт*ч/м². Соответственно в среднем за отопительный сезон для системы теплоснабжения такого дома понадобится приблизительно = 200 м² * 80 кВт*ч/м² = 16 000 кВт*ч тепла.

Для расчетов были выбраны плоские солнечные коллекторы фирмы Wolf TopSon F3-1 со следующими параметрами:

•  Площадь абсорбера – 1,99 м²;
•  Оптический КПД – 80,4%;
•  Коэффициент тепловых потерь К₁ — 3,235 Вт/м²К;
•  Коэффициент тепловых потерь К₂ — 0,012 Вт/м²К.

Внешний вид солнечного коллектора Wolf TopSon F3-1

Рассмотрим три варианта применения солнечных коллекторов для отопления. В первом варианте установлено 6 солнечных коллекторов с общей площадью абсорбера 11,94 м² и баком аккумулятором 1000 л. Во втором варианте 10 коллекторов (19,9 м²) и бак аккумулятор 2000 л, 3-й вариант с 16 коллекторами суммарной площадью 31,84 м² и баком аккумулятором 3000 л.

Расчеты приведем для г. Киев с учетом усредненной базы данных солнечного излучения и окружающей температуры для соответствующей климатической зоны. Солнечные коллекторы ориентированы в южном направление и установлены под углом 45 градусов. Все расчеты горячего водоснабжения проводятся с учетом потребностью в среднем 200 литров воды с температурой 45 °С в сутки. Для расчётов воспользуемся программой симуляции https://valentin-software.com/en/products/tsol/

Выбранная схема для всех 3-х вариантов с баком аккумулятором и станцией приготовления горячей воды

График потребления и выработки тепловой энергии гелиосистемой на ГВС и отопление дома

Очевидно, что максимальная выработка солнечной энергии приходится в летний период года. Энергия, выработанная гелиосистемой для отопления, лишь частично покрывает потребности в тепле и практически полностью покрывает нагрузку по горячему водоснабжению.

Максимальная экономия приходится на межсезонье и незначительна в зимние месяцы года. Чем больше общая полезная площадь солнечных коллекторов, тем больше значение экономии энергоресурсов.

Диаграмма покрытия отопительной нагрузки за счет гелиосистемы для 3-х вариантов рассчёта

В каждом из вариантов солнечные коллекторы вырабатывают для отопления различное количество тепловой энергии в процентном соотношении относительно общей потребности в тепле. Основной задачей проектирования таких солнечных систем является подбор оптимального значения замещения (экономии) основного источника энергии с учетом капитальных затрат.  Для этого необходимо сопоставить затраты на установку гелиосистемы и затраты на энергоносители и выбрать оптимальный вариант.